Wielki Zderzacz Hadronów znowu rusza

Wielki Zderzacz Hadronów gotowy na kolejne odkrycia. Rusza trzeci cykl pracy akceleratora CERN

27 października 2021 r. stabilne wiązki protonów krążyły w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN po raz pierwszy od 2018 r. Przez ostatnie trzy lata trwały przygotowania do kolejnego, trzeciego cyklu pracy akceleratora (Run 3), którego start jest zaplanowany na wiosnę 2022 r. Nadchodzące badania pozwolą na dokładne pomiary Modelu Standardowego.

Zmodyfikowano magnes detektora CMS (Compact Muon Solenoid), wbudowanego w Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), który będzie teraz działał z siłą 3,8 T (tesli), zbierającego dane pochodzące z promieniowania kosmicznego.

Osiągnęliśmy wszystkie nasze cele związane z trzyletnim zamknięciem, pomimo wyzwań pandemii, co jest świadectwem naszych fantastycznych zespołów w CMS. Nie możemy się doczekać ponownego zbierania danych za pomocą odnowionego i zmodernizowanego detektora oraz przy wyższych energiach wiązki. Powinno to zaowocować wspaniałą fizyką w nadchodzących latach.

Lothar Bauerdick, kierownik programu CMS

Pierwsze uruchomienie LHC po przerwie nastąpiło 19 października 2021 r., a stabilne wiązki uzyskano 27 października. Każda miała energię rozproszenia rzędu 450 GeV, co dało energię zderzenia środka masy proton-proton wynoszącą 900 GeV. Stabilne wiązki są szczególnie ważne, ponieważ dzięki nim można przetestować sprawność systemów we wszystkich poddetektorach.

Czytaj też: Nowe cząstki elementarne? Naukowcy z CERN na coś trafili

9 lutego 2022 r. uruchomiono Linac4 – akcelerator o długości 86 m, który zastępuje wysłużony Linac2 jako źródło wiązek protonów dla wszystkich eksperymentów CERN. 14 lutego jony H- przyspieszono do 160 MeV i wysłano do akceleratora Proton Synchrotron Booster (PSB), skąd separator mas ISOLDE przekazał je dalej 7 marca 2022 r. Fizycy rozpoczną eksperymenty za pomocą akceleratora plazmowego AWAKE 25 kwietnia br.

Czego możemy spodziewać się po Run 3?

Analizą danych zajmują się eksperymenty skupione wokół następujących detektorów:

  • ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) – toroidalny detektor ogólnego przeznaczenia;
  • CMS (Compact Muon Solenoid) – detektor ogólnego przeznaczenia zaprojektowany ze szczególnym naciskiem na identyfikację mionów i uzyskanie dużej rozdzielczości pomiaru ich pędów;
  • LHCb (Large Hadron Collider beauty) – detektor mezonów B;
  • ALICE (A Large Ion Collider Experiment) – detektor do obserwacji wyników zderzeń jonów;
  • TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) – detektor do badania całkowitych przekrojów czynnych, rozpraszania elastycznego i dysocjacji dyfrakcyjnej;
  • LHCf (Large Hadron Collider forward) – symulacja promieniowania kosmicznego w laboratorium;
  • MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC) – detektor do poszukiwania powolnych i silnie jonizujących stabilnych cząstek egzotycznych, np. masywnych cząstek supersymetrycznych lub monopoli magnetycznych;
  • FASER (ForwArd Search ExpeRiment) – detektor poszukujący nowego światła i słabo sprzężonych cząstek elementarnych oraz do badania interakcji neutrin wysokoenergetycznych.

Podczas Run 3, cztery z powyższych eksperymentów LHC będą mogły wykonywać jeszcze dokładniejsze pomiary. W detektorze ALICE zainstalowano odnowioną komorę projekcji czasowej, nowy podrzędny detektor Mion Forward Tracker (MFT) oraz tzw. szybki wyzwalacz interakcji.

LHC

W detektorze ATLAS zmodernizowano spektrometr mionów wyposazony w nowe technologie, jak cienkie komory szczelinowe (sTGC) i detektory Micromegas. Z kolei w CMS zainstalowano pierwszą stację Gas Electron Multiplier (GEM), zupełnie nowy zestaw subdetektorów do wymrywania mionów w najbliższym otoczeniu emitera wiązki. CMS wyposazono również w Pixel Tracker, a także Beam Radiation, Instrumentation and Luminosity (BRIL).

Przez ostatnie dwa lata, metamorfozie poddano także LHCb. Zainstalowano w nim nowy detektor scyntylacyjny (SciFi) oraz zmodernizowane pierścieniowe detektory Czerenkowa (RICH1 i RICH2). Zostanie zamontowany także szybszy Vertex Locator (VELO).

Czas na nową fizykę

Bez Wielkiego Zderzacza Hadronów nie byłoby możliwe odkrycie bozonu Higgsa, ale także wielu innych osiągnięć z dziedziny fizyki cząstek elementarnych. Modernizacje, których dokonano, na pierwszy rzut oka mogą wydawać się mało istotne, ale znacząco poszerzą limity akceleratora cząstek.

Czytaj też: Pierwsza taka detekcja w historii CERN. Nikt nie spodziewał się wykryć neutrin w Wielkim Zderzaczu Hadronów

LHC może pomóc rozwiązać tzw. problem hierarchii, który dotyczy ogromnej rozbieżności między masą bozonu Higgsa a masą innych cząstek elementarnych.

Wszystkie te zjawiska wymagają rozszerzenia Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych, a wszystkie te teorie zawierają przewidywania. Najlepszym miejscem do sprawdzenia tych przewidywań są zwykle najwyższe osiągalne energie. Modernizacja LHC otwiera drogę do całkowicie nowych obserwacji, które sygnalizują odejście od Modelu Standardowego.

Phil Allport z Uniwersytetu w Birmingham

Istnieją już plany wprowadzania kolejnych ulepszeń w 2024 r., które pozwolą na zawężenie wiązek LHC i tym samym znaczne zwiększenie liczby zderzeń. W 2018 r. podczas każdego impulsu protonów dochodziło do ok. 40 zderzeń, a obecne modernizacje zwiększą je dwukrotnie, a przyszłe do poziomu nawet 250 zderzeń. Wtedy to LHC zmieni nazwę na Wielki Zderzacz Hadronów o Wysokiej Jasności (HLLHC).